JP2013188065A - Magnetic modulation motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、内燃機関の動力と電池の電力とで走行するハイブリッド車両の動力装置に用いて好適な磁気変調モータに関する。 The present invention relates to a magnetic modulation motor suitable for use in, for example, a power device of a hybrid vehicle that travels with the power of an internal combustion engine and the power of a battery.
従来、ハイブリッド自動車の動力伝達装置として、内燃機関の出力軸と、減速や前進後退の切り替えを行うギヤ装置の入力軸との間に、モータとCVT(無段変速機)とを介在するものが一般的であったが、最近は、それらの機能を複合化した新しい技術が提案されている。すなわち、固定子となる電機子と、第一回転軸に固定された磁石回転子と、第二回転軸に固定された磁気誘導回転子とを持ち、磁気変調原理を用いて、第一回転軸と第二回転軸との間の速度変換を滑らかに行う、あるいは、第二回転軸に電動動力を加えて出力する複合機能モータが知られている。例えば、特許文献1には、前述の複合機能を実現する技術が開示されている。
Conventionally, as a power transmission device for a hybrid vehicle, a motor and a CVT (continuously variable transmission) are interposed between an output shaft of an internal combustion engine and an input shaft of a gear device that performs switching between deceleration and forward / backward movement. Although it was general, recently, a new technology that combines these functions has been proposed. That is, an armature as a stator, a magnet rotor fixed to the first rotating shaft, and a magnetic induction rotor fixed to the second rotating shaft, and using the magnetic modulation principle, the first rotating shaft There is known a multi-function motor that smoothly converts the speed between the first rotary shaft and the second rotary shaft or outputs electric power by adding electric power to the second rotary shaft. For example,
磁気変調原理を用いたモータ(以下、磁気変調モータと呼ぶ)は、元々は英国シェフィールド大学のAtallah教授らの磁気歯車の研究に端を発するものである。その基本的な構造は、極対数mの永久磁石を有する外側回転子と、極対数nの永久磁石を有する内側回転子とが配置され、両回転子の間にmとnとの和または差の数となる個数の軟磁性体を磁気誘導磁極として配置して磁気変調させるものである。外側回転子を巻線式電機子としたモータも同様にそのルールに従ったものである。
上記の特許文献1に開示された従来技術でも、極対数mの多相巻線を備える電機子と、極対数nの永久磁石を有する磁石回転子との間に、磁気誘導磁極としてk個の軟磁性体を周方向に配列した磁気誘導回転子が配置され、且つ、m=n=8、k=16の構造となっており、磁気変調モータの構造を備えている。
A motor using the magnetic modulation principle (hereinafter referred to as a magnetic modulation motor) originally originated from research on magnetic gears by Professor Atallah of the University of Sheffield, UK. The basic structure is that an outer rotor having a permanent magnet with a pole pair number m and an inner rotor having a permanent magnet with a pole pair number n are arranged, and the sum or difference between m and n between the rotors. The number of soft magnetic materials corresponding to the number is arranged as magnetic induction magnetic poles and magnetically modulated. The same applies to a motor having a wound armature as an outer rotor.
Also in the prior art disclosed in
しかし、従来の磁気変調モータには、以下の問題点があった。
それは、特許文献1の図9〜図12に示されるように、磁気誘導磁極がその機能上ばらばらの軟磁性体である必要性があると共に、磁気誘導回転子が電機子と磁石回転子との間に配置されて回転する構成上、その部分を磁束が貫通するため、磁気誘導磁極を囲むような金属部材が存在すると、短絡コイルの作用をして顕著な短絡電流が流れる。このため、磁束の貫通が妨げられるとともに、大きな損失が発生してしまう。このような理由から、磁気誘導回転子は、一般のモータで慣用的に用いられる手法、例えばアルミダイカスト等によって軟磁性体を鋳込むことができないという難しさがあった。その結果、機械的な剛性の確保や回転軸に対する固定が難しく、耐力が弱いという基本的な問題点があった。
However, the conventional magnetic modulation motor has the following problems.
As shown in FIGS. 9 to 12 of
一方、磁気誘導回転子を回転軸との固定がしやすい最も内径側に配置した場合は、磁石固定の設計を比較的容易にできる。それは、磁石回転子は磁気誘導回転子のようなセンシティブな回転子ではなく、強力な希土類磁石で磁束を発信する界磁起磁力源であるので、そのため磁極間の多少の磁束の漏れを気にすることもなく、複数の磁石を積層鉄心に埋め込み、ブリッジで繋ぐ等の頑丈な構造設計を採ることができるためである。しかし、磁気誘導回転子を最も内径側に配置する場合は、磁気変調を好適に成立させることが課題となる。
そこで、本願発明者は、前記の課題を克服すべく、磁石回転子を電機子と磁気誘導回転子との間に配置した時の磁気変調作用の有無や課題を検討したところ、次の知見と解決方針を見出した。
On the other hand, when the magnetic induction rotor is arranged on the innermost diameter side where it is easy to fix the rotating shaft, the magnet fixing design can be made relatively easy. The magnet rotor is not a sensitive rotor like a magnetic induction rotor, but a field magnetomotive force source that generates magnetic flux with a powerful rare earth magnet. This is because it is possible to adopt a robust structural design such as embedding a plurality of magnets in a laminated iron core and connecting them with a bridge. However, when the magnetic induction rotor is disposed on the innermost diameter side, it is a problem to preferably establish magnetic modulation.
Therefore, in order to overcome the above problems, the inventor of the present application examined the presence or problem of magnetic modulation when the magnet rotor is disposed between the armature and the magnetic induction rotor, and found the following knowledge. Found a solution policy.
すなわち、磁石回転子を電機子と磁気誘導回転子との間に配置すると、好適な磁気変調作動を得ることは出来ず、モータとしての特性は大幅に低いものになってしまうことが分かった。その原因は、磁石自身が起磁力源であり、磁束発生源であるにしても、磁石の透磁率が空気と同様に低いため、磁気誘導磁極がその極数で磁石磁束を変調したとしても、変調磁束が電機子に向い、またリターンすべきところに磁石が立ちはだかることで、変調磁束の通過の障害になっていることが分かった。つまり、強い起磁力を持った永久磁石が広い範囲でカバーして遮り、本来の変調磁束を乱して阻害していることを発見した。 In other words, it has been found that if the magnet rotor is disposed between the armature and the magnetic induction rotor, a suitable magnetic modulation operation cannot be obtained, and the characteristics as a motor are greatly reduced. The cause is that even if the magnet itself is a magnetomotive force source and a magnetic flux generation source, the magnetic permeability of the magnet is as low as air, so even if the magnetic induction magnetic pole modulates the magnet magnetic flux by the number of poles, It was found that the modulated magnetic flux turned to the armature, and the magnet stood where it should return, which hindered the passage of the modulated magnetic flux. In other words, we discovered that permanent magnets with strong magnetomotive force cover and block over a wide area, disturbing the original modulated magnetic flux.
本発明は、上記事情に基づいて成されたものであり、その目的は、電機子と磁気誘導回転子との間に磁石回転子を配置した構成として、磁気誘導回転子の強度および耐力の向上を図ることができる磁気変調モータを提供することにある。 The present invention has been made based on the above circumstances, and its purpose is to improve the strength and proof strength of a magnetic induction rotor as a configuration in which a magnet rotor is disposed between an armature and a magnetic induction rotor. An object of the present invention is to provide a magnetic modulation motor capable of achieving the above.
本発明は、極対数mの多相巻線を備える電機子と、整数kの数だけ磁気導通路を有する磁気誘導回転子と、mとkとの和または差となる極対数nの極性領域を形成する2n個の永久磁石を有し、この2n個の永久磁石が周方向に所定の間隔を有して環状に配置される磁石回転子とを備え、径方向の外側から内側に向かって電機子、磁石回転子、磁気誘導回転子の順に配列される磁気変調モータであって、磁気誘導回転子は、磁気導通路の両端がそれぞれ磁気誘導回転子の外径面に突出して設けられ、その外径面に突出する磁気導通路の両端をそれぞれ磁束出入り口と呼ぶ時に、磁気導通路は、一方の磁束出入り口と他方の磁束出入り口との間に磁束の通り道を形成し、磁石回転子は、それぞれ周方向に隣り合う二つの永久磁石の間に磁束を透過する磁束透過領域を有することを特徴とする。 The present invention relates to an armature having a multi-phase winding of m pole pairs, a magnetic induction rotor having magnetic conduction paths by the number of integers k, and a polar region of n pole pairs that is the sum or difference of m and k. And 2n permanent magnets, and the 2n permanent magnets are provided with a magnet rotor arranged annularly with a predetermined interval in the circumferential direction, from the radially outer side toward the inner side. A magnetic modulation motor arranged in the order of an armature, a magnet rotor, and a magnetic induction rotor, wherein the magnetic induction rotor is provided with both ends of the magnetic conduction path protruding from the outer diameter surface of the magnetic induction rotor, When both ends of the magnetic conduction path projecting on the outer diameter surface are called magnetic flux entrances, the magnetic conduction path forms a path of magnetic flux between one magnetic flux entrance and the other magnetic flux entrance, and the magnet rotor is Magnetic flux is transmitted between two permanent magnets adjacent in the circumferential direction. It characterized by having a magnetic flux transmission area to.
上記の構成を有する本発明の磁気変調モータは、磁気誘導回転子が最も内径側に配置され、その磁気誘導回転子と電機子との間に起磁力源となる磁石回転子が配置される。この配列であっても、磁石回転子に磁束透過領域を設けているので、磁気誘導回転子による変調磁束は、永久磁石の配列のうち、起磁力の対向する配列と並んだ時にも真っ向から邪魔されることはなく、その通過すべき成分は、磁石と磁石との間の磁束透過領域を経て電機子との磁気的相互作用を果たすことができる。
これにより、磁石回転子が電機子と磁気誘導回転子との間に存在する配列であっても、磁気変調作用が良好に働くモータを実現できる。すなわち、変調子である磁気誘導回転子を電機子と磁石回転子との関係の外に配置した配列でありながら、磁気変調モータとしての作動をさせることができ、且つ、磁気誘導回転子を最も内径側に配置しているので、磁気誘導回転子の強度や耐力向上の目的を達成することができる。
In the magnetic modulation motor of the present invention having the above-described configuration, the magnetic induction rotor is disposed on the innermost diameter side, and a magnet rotor serving as a magnetomotive force source is disposed between the magnetic induction rotor and the armature. Even in this arrangement, a magnetic flux transmission region is provided in the magnet rotor, so that the modulated magnetic flux generated by the magnetic induction rotor is obstructed from the head even when it is aligned with the arrangement of the permanent magnets in the arrangement of the permanent magnets. The component to be passed through can perform a magnetic interaction with the armature via the magnetic flux transmission region between the magnets.
Thereby, even if the magnet rotor is an arrangement between the armature and the magnetic induction rotor, it is possible to realize a motor that works well with magnetic modulation. In other words, the magnetic induction rotor that is the modulator is arranged outside the relationship between the armature and the magnet rotor, and can be operated as a magnetic modulation motor. Since it is arranged on the inner diameter side, the purpose of improving the strength and proof strength of the magnetic induction rotor can be achieved.
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the following examples.
(実施例1)
実施例1では、本発明の磁気変調モータをハイブリッド自動車のエンジンとトランスミッションとの間に配置した一例を説明する。
まず、磁気変調モータ(以下、本モータ1と呼ぶ)の構成を説明する。
本モータ1は、図2に示す様に、モータフレーム2の内周に固定される電機子3と、第一回転軸4と一体に回転する磁気誘導回転子5と、第二回転軸6と一体に回転する磁石回転子7とを備え、径方向の外側から内側(中心側)に向かって電機子3、磁石回転子7、磁気誘導回転子5の順に配列される。
第一回転軸4と第二回転軸6は、それぞれ図示しない軸受を介してモータフレーム2に回転自在に支持され、且つ、第一回転軸4がエンジンEの出力軸に連結され、第二回転軸6がトランスミッションMの被駆動軸に連結されている。
Example 1
In the first embodiment, an example in which the magnetic modulation motor of the present invention is disposed between an engine and a transmission of a hybrid vehicle will be described.
First, the configuration of a magnetic modulation motor (hereinafter referred to as the present motor 1) will be described.
As shown in FIG. 2, the
The first rotating shaft 4 and the second rotating
(電機子3の説明)
電機子3は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成される電機子鉄心30と、この電機子鉄心30に巻装される電機子巻線31とで構成される。
電機子鉄心30には、図1に示す様に、径方向の内周側に複数(実施例1では72個)のスロット30aが周方向等ピッチに形成されている。
電機子巻線31は、極対数m=6の三相巻線であり、図4に示す様に、各相巻線(X相、Y相、Z相)の一端が星型結線されて中性点Oを形成し、各相巻線の他端Xo、Yo、Zoがインバータ8に接続されている。インバータ8は、直流電力を交流電力に変換する周知の電力変換装置であり、車両の主電源である蓄電池Bに接続される。このインバータ8は、車両制御ECU(図示せず)との間で信号をやり取りするインバータECU(図示せず)によって駆動制御される。
(Description of armature 3)
The
As shown in FIG. 1, the
The armature winding 31 is a three-phase winding with a pole pair number m = 6. As shown in FIG. 4, one end of each phase winding (X phase, Y phase, Z phase) is connected in a star shape. A sex point O is formed, and the other end Xo, Yo, Zo of each phase winding is connected to the
(磁気誘導回転子5の説明)
磁気誘導回転子5は、図1に示す様に、本発明の磁気導通路を形成する16個のセグメント9と、この16個のセグメント9を保持する回転子ハブ10とで構成される。
16個のセグメント9は、それぞれ略V字形に打ち抜かれた複数枚の電磁鋼板を積層して構成され、周方向に一定の間隔を有して配列される。以下、セグメント9のV字状に開いた両辺をそれぞれセグメント腕部9aと呼び、2本のセグメント腕部9aの根元側をセグメント基底部9bと呼び、2本のセグメント腕部9aの間に形成される凹みをセグメント凹部9cと呼ぶ。
上記のセグメント9は、2本のセグメント腕部9aが径方向の外側へV字状に開いた状態、つまり、セグメント基底部9bが径方向の内側を向いた状態で配置される。また、セグメント基底部9bの底面には、ダブテール状のアンカー部9dが設けられている。
(Description of the magnetic induction rotor 5)
As shown in FIG. 1, the
The 16
The
回転子ハブ10は、非磁性かつ電気良導体である高強度アルミニウム材(例えばジュラルミン材)によって形成され、16個のセグメント9を一体的に鋳込んでダイカスト製造される。つまり、周方向に隣り合う二つのセグメント9の間には、高強度アルミニウム材が外径面まで充填されている。言い換えると、隣り合う二つのセグメント9は、回転子ハブ10を形成する高強度アルミニウム材によって磁気的に分離されている。なお、セグメント凹部9cにはアルミ材が充填されていない。つまり、セグメント凹部9cは空間である。また、個々のセグメント9は、セグメント基底部9bに設けられたアンカー部9dが回転子ハブ10に埋設されることで回転子ハブ10と強固に固定され、回転子ハブ10からセグメント9が脱落することはない。
回転子ハブ10は、径方向の内周に中心孔10aが形成され、その中心孔10aに第一回転軸4を圧入等により嵌合して固定される。
The
The
16個のセグメント9は、それぞれ、セグメント腕部9aの先端面がロータ外径面に突出して磁束の出入り口を形成している。なお、ロータ外径面とは、空隙を有して磁石回転子7と対向する磁気誘導回転子5の外径面であり、周方向に隣り合う二つのセグメント9の間に充填されるアルミ材の外径面である。以下、ロータ外径面に突出するセグメント腕部9aの先端面を磁束出入り口9eと呼ぶ。
個々のセグメント9は、図3に示す様に、磁気誘導回転子5の全周360度をセグメント9の個数16で割った中心角θ1=22.5度の角度範囲に配置され、その中心角θ1=22.5度に対する約1/5、すなわち、中心角θ2=4.5度の角度範囲にセグメント腕部9aの磁束出入り口9eがロータ外径面に突出している。
In each of the 16
As shown in FIG. 3, the
(磁石回転子7の説明)
磁石回転子7は、図1に示す様に、20個の希土類永久磁石11(例えばネオジム磁石)と、この20個の永久磁石11を保持する軟磁性体12、13とで構成される。
永久磁石11は、図3に示す様に、極弧角α=12.5度を有し、周方向に所定の間隔を空けて環状に配置される。個々の永久磁石11は径方向に着磁される。但し、周方向に隣り合う二つの永久磁石11は、互いの極性が異なる、つまり、N極とS極とが交互に異なる様に配置される。なお、本実施例では、空隙を有して磁気誘導回転子5の外径面と対向する永久磁石11の内径面の周方向両端と磁石回転子7の回転中心とで形成される中心角を極弧角αと定義している。
(Description of magnet rotor 7)
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 3, the
軟磁性体12、13は、図1に示す様に、20個の永久磁石11の外周表面(径方向の外側表面)を覆って磁石回転子7の全周に配置されるリング状の軟磁性体(以下、リング状軟磁性体12と呼ぶ)と、周方向に隣り合う二つの永久磁石11の間に配置されて本発明の磁束透過領域を形成する極間の軟磁性体(以下、極間軟磁性体13と呼ぶ)とを有する。すなわち、リング状軟磁性体12の内径側に20個の極間軟磁性体13が周方向に等間隔に配置され、その周方向に隣り合う二つの極間軟磁性体13の間に形成される開口部に永久磁石11が収納される。
リング状軟磁性体12と極間軟磁性体13は、例えば、電磁鋼板を積層して形成されるものであり、両者を一体に設けることができる。あるいは、リング状軟磁性体12と極間軟磁性体13とを別体に形成することも出来る。
As shown in FIG. 1, the soft
The ring-shaped soft
また、図3に示す様に、磁気誘導回転子5の外径面に突出している磁束出入り口9eの周方向幅をW1、周方向に隣り合う二つの永久磁石11の間の周方向距離、すなわち、極間軟磁性体13の内径面の周方向幅をW2とすると、W1≦W2の関係を満たしている。言い換えると、磁束出入り口9eの周方向幅W1に対する中心角θ2=4.5度より、極間軟磁性体13の内径面の周方向幅W2に対する中心角θ3=5.5度の方が大きい。
さらに、セグメント9に形成されるセグメント凹部9cの最大深さ、つまり、図3に示す様に、磁気誘導回転子5の外径面からセグメント凹部9cの底面までの深さDは、極間軟磁性体13の内径面の周方向幅W2以上の寸法に設定される。
Further, as shown in FIG. 3, the circumferential width of the
Further, the maximum depth of the
次に、本モータ1の作動を説明する。
N極の永久磁石11とS極の永久磁石11とが極間軟磁性体13を介して周方向に交互に配置される磁石回転子7は、その極対数n=10と回転角速度ωとの積10ωnの周波数の起磁力変化を磁気誘導回転子5に与える。一方、磁気誘導回転子5は、磁気導通路を形成する16個のセグメント9が略V字形を成し、そのセグメント9に設けられる2本のセグメント腕部9aの先端面が磁束出入り口9eとして磁気誘導回転子5の外径面に突出している。従って、磁気誘導回転子5の回転角速度をωkとすると、16ωkの周波数の磁気導通変化を形成することができる。すなわち、10ωnの起磁力変化が16ωkの磁気導通として変調される。
Next, the operation of the
The
永久磁石11より発信された磁束は、セグメント9の一方の磁束出入り口9eが入口側となってセグメント9を通り、他方の磁束出入り口9eが丁度逆極性の永久磁石11である時には、出口側となる他方の磁束出入り口9eより永久磁石11を通って電機子3に磁束が伝播する。出口側となる他方の磁束出入り口9eが極間軟磁性体13と対向する時には、磁束透過領域を形成する極間軟磁性体13を通って電機子3に磁束が伝播することができる。磁気誘導回転子5の外径側に対向する磁石回転子7が全て永久磁石11で覆われていると、磁気誘導回転子5の成分が電機子3に十分に伝わらないが、周方向に隣り合う二つの永久磁石11の間に極間軟磁性体13を配置して磁束透過領域を形成することにより、良好に磁気変調が行われる。
The magnetic flux transmitted from the
電機子3に伝播する磁気的変化の周波数は、変調作用により10ωnと16ωkとの和と差の二つになり、極対数m=6の電機子巻線31(三相巻線)に生成される回転磁界の角速度をωmとすると、このωmに関して、下記(1)式となるように、インバータ8の作動を制御して電機子巻線31への通電を行う。
6ωm=|10ωn±16ωk| ………………………………(1)
これにより、磁気誘導回転子5と磁石回転子7と電機子3とは、相互にエネルギ変換作用ができ、磁気変調モータとして作動できることとなる。
The frequency of the magnetic change propagating to the
6ωm = | 10ωn ± 16ωk | ……………………………… (1)
Thereby, the
本モータ1は、磁気誘導回転子5を電機子3と磁石回転子7との間ではなく、最も内径側に配置できるため、磁気導通路を形成する16個のセグメント9を高強度アルミニウム材(例えばジュラルミン材)に鋳込むことで剛性の高い回転子構造を実現できる。また、磁気誘導回転子5を最も内径側に配置したことにより、第一回転軸4への固定が容易である。すなわち、16個のセグメント9を保持する回転子ハブ10の中心孔10aに第一回転軸4を圧入等により嵌合することで強固に且つ容易に固定できる。
また、磁気誘導回転子5は、周方向に隣り合う二つのセグメント9の間に高電気伝導率を有する高強度アルミニウム材が充填されているので、動磁場に関して、この部分での磁気漏洩が抑制される効果が生まれる。その結果、磁石回転子7と磁気誘導回転子5との間の磁気変調が整然と行われることにより、高性能化できる効果もある。
In the
In addition, since the
上記のように、実施例1の構成によれば、耐遠心力強度が向上でき、且つ、小型高性能化できると共に、前述のように磁気回路の変調動作も良好となるため、より高性能化できるという優れた効果が得られる。
また、実施例1に記載した本モータ1は、セグメント9の磁束出入り口9eの周方向幅W1が、極間軟磁性体13の内径面の周方向幅W2に対して同等以下(W1≦W2)に設定される。一方、W1がW2より大きいと、隣り合う二つの永久磁石11の磁界がセグメント9の磁束出入り口9e付近で短絡されるため、セグメント9を有効に磁束が流れることなく、磁束出入り口9e付近だけでの顕著な磁束漏れが生じる。このため、永久磁石11の磁力が弱ってしまう。これに対し、上記の関係(W1≦W2)が満たされていると、磁束出入り口9e付近での短絡が生じないので、永久磁石11の磁力が弱まることはなく、セグメント9に対する磁気誘導が良好に行われる。
As described above, according to the configuration of the first embodiment, the strength against centrifugal force can be improved, the size and performance can be improved, and the modulation operation of the magnetic circuit is also improved as described above. An excellent effect that it can be obtained.
In the
さらに、実施例1に記載した本モータ1は、磁気誘導回転子5の外径面からセグメント凹部9cの底面までの深さDが、極間軟磁性体13の内径面の周方向幅W2以上の寸法に設定されている(図3参照)。この作用効果を以下に説明する。
周方向に隣り合う二つの永久磁石11は、前述のように極間漏れが抑制されるように、その幅と寸法が設定される。従って、磁気誘導回転子5のセグメント9以外の部分、すなわち磁気漏れさせたくないセグメント凹部9cの深さDを、極間軟磁性体13の内径面の周方向幅W2以上の寸法に設定することで、磁気漏れを許容できるレベルにまで抑制できる効果を得ることができる。
Furthermore, in the
The two
以下、磁気誘導回転子5を電機子3と磁石回転子7との間に配置した従来モータと比較しながら、磁場解析のシミュレーション結果を基に本モータ1の効果を説明する。
図5(a)は従来モータの解析モデルを示す構成図、同図(b)は磁場解析のシミュレーション結果である。図6(a)は本モータ1の解析モデルを示す構成図、同図(b)は磁場解析のシミュレーション結果である。
なお、従来モータと本モータ1の解析モデルは、磁気誘導回転子5と磁石回転子7との配列が異なるが、電機子3の外径と軸長は同じである。ちなみに、電機子3の外径=φ254mm、軸長=50mmである。また、従来モータの磁気誘導回転子5は、周方向に隣り合う二つの磁気誘導磁極50の間が空間であり、アルミ材は充填されていない。
Hereinafter, the effect of the
FIG. 5A is a configuration diagram showing an analysis model of a conventional motor, and FIG. 5B is a simulation result of magnetic field analysis. FIG. 6A is a configuration diagram showing an analysis model of the
The analysis model of the
従来モータと本モータ1において、それぞれ、磁石回転子7を静止した状態で、170A(実効値)の三相交流を電機子巻線31に通電して回転磁界を生成し、磁気誘導回転子5を750rpmにて回転させた時の発生トルクを比較した。
結果は、従来モータの発生トルクが152Nmであるのに対し、本モータ1の発生トルクは183Nmであり、従来モータより大きな発生トルクが得られた。
磁場解析の結果を比較すると、図5(b)に示す従来モータと、図6(b)に示す本モータ1とで、同様に磁気変調が行われていることが理解できる。すなわち、電機子3と磁気誘導回転子5との間に磁石回転子7を配置した本モータ1の構成であっても、磁石回転子7によって磁束の流れが遮られることはなく、磁石回転子7に設けられる極間軟磁性体13を通って磁気誘導回転子5から電機子3へと磁束が伝播できるので、発生トルクが低下することはない。
In the conventional motor and the
As a result, the generated torque of the conventional motor is 152 Nm, whereas the generated torque of the
Comparing the results of the magnetic field analysis, it can be understood that the conventional motor shown in FIG. 5B and the
上記のように、前記磁気誘導回転子5は、電機子3との間の磁束のやりとりにおいて、その間に配置された永久磁石11にすべて覆われてしまわないように、隣り合う二つの永久磁石11の間に磁束透過領域(極間軟磁性体13)を設けているので、磁石回転子7と磁気誘導回転子5との配列を逆にしても変調作用が働き、元々の配置のもの(磁気誘導回転子5を電機子3と磁石回転子7との間に配置したもの)と同等以上の性能が得られることが分かった。
さらに、本発明のモータ構成によれば、磁気誘導回転子5を最も内径側に配置するので、上述したように、磁気誘導回転子5の機械的な剛性を高めることができ、耐遠心力に優れる。これに対し、磁気誘導回転子5を電機子3と磁石回転子7との間に配置する従来モータの構成では、7000rpm程度までの耐遠心力しか得られないものが、実施例1に記載した本モータ1では、従来モータの二倍以上である15000rpm程度まで耐え得ることができる。実質は二倍以上の小型高性能化を実現でき、従来モータと比較して顕著な効果を発揮できる。
As described above, the
Furthermore, according to the motor configuration of the present invention, since the
続いて、磁石回転子7の構成が異なる四つの解析モデルA〜Dを使用して磁場解析のシミュレーションを実施した。
モデルAの磁石回転子7は、図7(a)に示す様に、リング状軟磁性体12と極間軟磁性体13とを有する、つまり、実施例1で説明した磁石回転子7の構成である。
モデルBの磁石回転子7は、図8(a)に示す様に、極間軟磁性体13を廃止して、永久磁石11の外周をリング状軟磁性体12で覆った構成である。
モデルCの磁石回転子7は、図9(a)に示す様に、リング状軟磁性体12および極間軟磁性体13を共に廃止した構成である。
モデルDの磁石回転子7は、図10(a)に示す様に、リング状軟磁性体12および極間軟磁性体13を使用することなく、且つ、磁束透過領域を無くした構成、つまり、周方向に永久磁石11を隙間無く並べて配置した構成である。
Subsequently, a simulation of magnetic field analysis was performed using four analysis models A to D having different configurations of the
The
As shown in FIG. 8A, the model
The
As shown in FIG. 10A, the model
図7(b)、図8(b)、図9(b)、図10(b)は、それぞれ、モデルA、モデルB、モデルC、モデルDの解析結果を示す磁力線図である。
なお、解析モデルA〜Dに使用した磁気誘導回転子5は、全てセグメント9のみの構成であり、実施例1で説明した高強度アルミニウム材は充填されていないものとして解析した。その理由は、磁石周辺の空間や磁性材の有無、また、磁石で覆われてしまったときの影響を明確に把握し説明するためである。
上記四つのモデルA〜Dにおいて、磁気誘導回転子5の発生トルクを比較すると、リング状軟磁性体12と極間軟磁性体13とを使用したモデルAの結果が最も良く、発生トルクは147Nmとなった。以下、リング状軟磁性体12のみを使用したモデルB、軟磁性体を使用することなく磁束透過領域を形成したモデルC、磁束透過領域を無くしたモデルDの順に発生トルクが低下している。この結果からも明らかな様に、磁石回転子7に磁束透過領域を設けているモデルA、モデルB、モデルCは、磁石回転子7に磁束透過領域を設けていないモデルDと比較して発生トルクが高くなることが分かる。
FIG. 7B, FIG. 8B, FIG. 9B, and FIG. 10B are magnetic field diagrams showing the analysis results of model A, model B, model C, and model D, respectively.
The
In the above four models A to D, when the generated torque of the
以下、本発明に係る他の実施例(実施例2〜実施例5)を説明する。
なお、以下に説明する実施例2〜実施例5においても、電機子3、磁石回転子7、磁気誘導回転子5の配列は実施例1と同じであり、すなわち、磁気誘導回転子5が最も内径側に配置されている。また、実施例1と同一の構成には同一の番号を付している。
Hereinafter, other examples (Examples 2 to 5) according to the present invention will be described.
In the second to fifth embodiments described below, the arrangement of the
(実施例2)
この実施例2は、実施例1に記載した磁石回転子7の極間軟磁性体13に凹み13aを設けた一例である。極間軟磁性体13には、図11に示す様に、磁気誘導回転子5との対向面、つまり、空隙を有して磁気誘導回転子5の外径面と対向する極間軟磁性体13の内径面に凹み13aが形成されている。この凹み13aは、例えば、磁石回転子7の厚み(半径方向の寸法)の約2/3の深さを有し、且つ、最深部から磁石回転子7の内径面に向かって周方向の開口幅が次第に広くなるテーパ状に形成されている。
また、磁気誘導回転子5は、実施例1と同じく、16個のセグメント9を高強度アルミニウム材に鋳込んで構成されているが、セグメント凹部9cにも同アルミ材15が充填されている。セグメント凹部9cに充填されたアルミ材15は、セグメント腕部9aの側面より突き出る係止片9fに係止されている。
(Example 2)
The second embodiment is an example in which a
The
この実施例2に係る本モータ1の磁場解析を実施例1と同一条件にて実施した。
図12(a)は実施例2に係る本モータ1のモデル構成図、同図(b)は磁場解析のシミュレーション結果である。
この実施例2に係る本モータ1の発生トルクは166Nmとなり、従来モータと同等以上の発生トルクが得られた。なお、従来モータの発生トルクは、実施例1に記載した様に、152Nmである。
極間軟磁性体13の内径面に凹み13aを形成すると、セグメント9に対向する二つの隣り合う永久磁石11の表面間での漏れ磁束が少なくなる効果が期待できる。周方向に隣り合う二つの永久磁石11の間に介在される極間軟磁性体13が両隣の磁極表面と同じ面で連なっていると、極間軟磁性体13を経由した漏れ磁束が多くなるが、極間軟磁性体13の内径面に凹み13aを形成することで、磁束が漏れる通路が小さく、且つ、長くなることで漏れにくくなる。そのため、永久磁石11の磁力が弱まることがなく、セグメント9に対する磁気誘導が良好となる。
The magnetic field analysis of the
12A is a model configuration diagram of the
The generated torque of the
If the
(実施例3)
この実施例3は、磁気誘導回転子5を歯車形状に構成した一例である。
磁気誘導回転子5は、歯車形状に切り出した電磁鋼板を積層して構成されるもので、図13に示す様に、径方向の外側へ突き出るk個の歯形部5aを有し、このk個の歯形部5aが周方向に等間隔に配置されている。この歯形部5aは、磁気導通路に対する磁束の出入り口を形成している。
この実施例3に係る本モータ1についても、実施例1と同一条件にて磁場解析を実施した。図14(a)は実施例3に係る本モータ1のモデル構成図、同図(b)は磁場解析のシミュレーション結果である。なお、本モータ1の解析モデルには、図14(a)に示す様に、周方向に隣り合う二つの歯形部5aの間にアルミ材15が充填されている。
(Example 3)
The third embodiment is an example in which the
The
For the
本モータ1の発生トルクは137Nmとなり、従来モータに対して発生トルクは低下するが、顕著な差が生じるという程ではない。むしろ、磁気誘導回転子5を歯車形状に形成することで、磁気誘導回転子5がそのまま回転子ハブとしても機能する。言い換えると、k個の歯形部5aが回転子ハブと同一材料によって一体に設けられている構成であるため、遠心力に強い構造となるばかりでなく、第一回転軸4との固設が極めて強固にできる。また、エンジンE(図2参照)の回転振動等に対して優れた耐久性を示す効果もあり、実施例1に記載した磁気誘導回転子5と比較しても、耐高速性に優れる点で小型軽量化のポテンシャルを持つものである。
The generated torque of the
(実施例4)
この実施例4は、実施例3に記載した歯車形状の磁気誘導回転子5に対し、図15(a)、(b)に示す様に、周方向に隣り合う二つの歯形部5aの間に短絡コイル16を配置した一例である。
実施例1に記載した磁気誘導回転子5は、周方向に隣り合う二つのセグメント9の間に回転子ハブ10(図1参照)を形成する高アルミニウム材が充填されるので、二つのセグメント9の間の磁気漏洩を抑制できる効果があるが、これと同様に、隣り合う二つの歯形部5aの間に短絡コイル16を配置することで、二つの歯形部5aの間の動的な漏洩磁束を防ぐことができ、磁気変調作用の改善効果がある。
Example 4
The fourth embodiment is different from the gear-shaped
The
(実施例5)
この実施例5は、実施例3に記載した歯車形状の磁気誘導回転子5に対し、図16(a)に示す様に、周方向に隣り合う二つの歯形部5aの間に銅板17を配置した一例である。銅板17は、図16(b)に示す様に、非磁性材より成るボルト18で磁気誘導回転子5に固定される。
この実施例5の構成では、実施例4と同様に、周方向に隣り合う二つの歯形部5aの間の動的な漏洩磁束を防ぐことができ、磁気変調作用の改善効果がある。また、銅板17をボルト18で固定するだけで良いので、銅板17の装着が容易でもある。
(Example 5)
In the fifth embodiment, a
In the configuration of the fifth embodiment, similarly to the fourth embodiment, it is possible to prevent the dynamic leakage magnetic flux between the two
(変形例)
実施例1に記載した磁気誘導回転子5は、セグメント凹部9cにアルミ材が充填されていない、つまり、セグメント凹部9cが空間となっているが、実施例2と同様に、セグメント凹部9cにアルミ材を充填する構成でも良い。なお、セグメント凹部9cにアルミ材を充填する場合は、磁気誘導回転子5の軸方向端面において、回転子ハブ10を形成するアルミ材と、セグメント凹部9cに充填されるアルミ材とがセグメント9を跨いで磁気的に繋がらない様に構成する必要がある。
(Modification)
In the
実施例1に記載した磁気誘導回転子5は、16個のセグメント9を高強度アルミニウム材(例えばジュラルミン材)に鋳込んで一体的に製造されたダイカスト品であるが、かならずしもダイカスト製造する必要はなく、例えば、k個のセグメント9を非磁性の機械構造部材、例えばステンレス鋼材などの連結部材で環状に連結した構成でも良い。あるいは、第一回転軸4を同様に高強度の非磁性ステンレス材で形成し、その第一回転軸4にk個のセグメント9を溶接等で直接固定して磁気誘導回転子5を構成することも出来る。
The
1 本モータ(磁気変調モータ)
3 電機子
5 磁気誘導回転子
7 磁石回転子
9 セグメント(磁気導通路)
9e 磁束出入り口
11 永久磁石
13 極間軟磁性体(磁束透過領域)
31 電機子巻線(多相巻線)
1 motor (magnetic modulation motor)
3
9e Magnetic flux entrance /
31 Armature winding (multi-phase winding)
Claims (8)
整数kの数だけ磁気導通路(9)を有する磁気誘導回転子(5)と、
前記mと前記kとの和または差となる極対数nの極性領域を形成する2n個の永久磁石(11)を有し、この2n個の永久磁石(11)が離間して環状に配置される磁石回転子(7)とを備え、
径方向の外側から内側に向かって前記電機子(3)、前記磁石回転子(7)、前記磁気誘導回転子(5)の順に配列される磁気変調モータ(1)であって、
前記磁気誘導回転子(5)は、前記磁気導通路(9)の両端がそれぞれ前記磁気誘導回転子((5)の外径面に突出して設けられ、その外径面に突出する前記磁気導通路(9)の両端をそれぞれ磁束出入り口(9e)と呼ぶ時に、前記磁気導通路(9)は、一方の前記磁束出入り口(9e)と他方の前記磁束出入り口(9e)との間に磁束の通り道を形成し、
前記磁石回転子(7)は、それぞれ周方向に隣り合う二つの前記永久磁石(11)の間に磁束を透過する磁束透過領域(13)を有することを特徴とする磁気変調モータ。 An armature (3) comprising a multiphase winding (31) with a number of pole pairs of m,
A magnetic induction rotor (5) having magnetic conduction paths (9) by the number of integer k;
There are 2n permanent magnets (11) that form a polar region of n pole pairs, which is the sum or difference of m and k, and these 2n permanent magnets (11) are arranged in an annular shape apart from each other. Magnet rotor (7)
A magnetic modulation motor (1) arranged in the order of the armature (3), the magnet rotor (7), and the magnetic induction rotor (5) from the radially outer side toward the inner side,
The magnetic induction rotor (5) is provided with both ends of the magnetic conduction path (9) projecting from the outer diameter surface of the magnetic induction rotor ((5)) and projecting from the outer diameter surface of the magnetic induction rotor (5). When both ends of the passage (9) are called magnetic flux entrances (9e), the magnetic conduction path (9) is a path of magnetic flux between one magnetic flux entrance (9e) and the other magnetic flux entrance (9e). Form the
The said magnetic rotor (7) has a magnetic flux transmission area | region (13) which permeate | transmits a magnetic flux between two said permanent magnets (11) adjacent to the circumferential direction, respectively, The magnetic modulation motor characterized by the above-mentioned.
前記磁石回転子(7)は、前記2n個の永久磁石(11)の径方向外側面を覆って前記磁石回転子(7)の全周に配置されるリング状の軟磁性体(12)と、このリング状の軟磁性体(12)の径方向内側に設けられて、それぞれ周方向に隣り合う前記永久磁石(11)同士の間に配置される極間の軟磁性体(13)とを有し、この極間の軟磁性体(13)によって前記磁束透過領域(13)が形成されることを特徴とする磁気変調モータ。 Magnetic modulation motor (1) according to claim 1,
The magnet rotor (7) includes a ring-shaped soft magnetic body (12) disposed on the entire circumference of the magnet rotor (7) so as to cover a radially outer surface of the 2n permanent magnets (11). The ring-shaped soft magnetic body (12) is provided on the inner side in the radial direction, and the inter-pole soft magnetic body (13) disposed between the permanent magnets (11) adjacent to each other in the circumferential direction. The magnetic modulation motor is characterized in that the magnetic flux transmission region (13) is formed by the soft magnetic material (13) between the poles.
前記磁束出入り口(9e)の周方向幅をW1とし、前記磁石回転子(7)の内径面に沿って周方向に隣り合う前記永久磁石(11)同士の間の周方向距離をW2とすると、
W1≦W2 ………………………………………(1)
上記(1)式の関係を満たしていることを特徴とする磁気変調モータ。 Magnetic modulation motor (1) according to claim 1 or 2,
When the circumferential width of the magnetic flux entrance (9e) is W1, and the circumferential distance between the permanent magnets (11) adjacent in the circumferential direction along the inner diameter surface of the magnet rotor (7) is W2,
W1 ≦ W2 ……………………………………… (1)
A magnetic modulation motor characterized by satisfying the relationship of the above formula (1).
前記磁気導通路(9)は、一方の前記磁束出入り口(9e)と他方の前記磁束出入り口(9e)との間が前記磁気誘導回転子(5)の外径面より内径方向に凹んだ凹形状を有し、前記磁気誘導回転子(5)の外径面から前記凹形状の最深部までの径方向距離をDとし、前記磁石回転子(7)の内径面に沿って周方向に隣り合う前記永久磁石(11)同士の間の周方向距離をW2とすると、
D≧W2 …………………………………………(2)
上記(2)式の関係を満たしていることを特徴とする磁気変調モータ。 In any one magnetic modulation motor (1) according to claims 1-3,
The magnetic conduction path (9) has a concave shape in which the gap between one magnetic flux entrance / exit (9e) and the other magnetic flux entrance / exit (9e) is recessed in the inner diameter direction from the outer diameter surface of the magnetic induction rotor (5). And D is a radial distance from the outer diameter surface of the magnetic induction rotor (5) to the deepest part of the concave shape, and is adjacent in the circumferential direction along the inner diameter surface of the magnet rotor (7). When the circumferential distance between the permanent magnets (11) is W2,
D ≧ W2 ………………………………………… (2)
A magnetic modulation motor characterized by satisfying the relationship of the above expression (2).
前記磁気誘導回転子(5)は、前記磁気導通路(9)が軟磁性体から成るセグメント(9)によって形成され、k個の前記セグメント(9)がそれぞれ磁気的に分離して周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする磁気変調モータ。 In any one magnetic modulation motor (1) according to claims 1-4,
In the magnetic induction rotor (5), the magnetic conduction path (9) is formed by segments (9) made of a soft magnetic material, and k segments (9) are magnetically separated from each other in the circumferential direction. A magnetic modulation motor characterized by being arranged at equal intervals.
前記磁気誘導回転子(5)は、k個の前記セグメント(9)をアルミニウム材で一体的に固定し、周方向に隣り合う二つの前記セグメント(9)の間に前記アルミニウム材が配置されていることを特徴とする磁気変調モータ。 Magnetic modulation motor (1) according to claim 5,
The magnetic induction rotor (5) has k segments (9) fixed integrally with an aluminum material, and the aluminum material is disposed between two segments (9) adjacent in the circumferential direction. A magnetic modulation motor.
k個の前記セグメント(9)を固定した前記アルミニウム材は、前記磁気誘導回転子(5)を回転軸(4)に固定する回転子ハブ(10)を形成していることを特徴とする磁気変調モータ。 Magnetic modulation motor (1) according to claim 6,
The aluminum material to which the k segments (9) are fixed forms a rotor hub (10) that fixes the magnetic induction rotor (5) to a rotating shaft (4). Modulation motor.
前記磁気誘導回転子(5)は、径方向の外側へ突き出るk個の歯形部(5a)を有し、このk個の歯形部(5a)が周方向に等間隔に配置された歯車形状の軟磁性体によって形成され、空隙を有して磁石回転子(7)と対向する前記歯形部5aの先端面が磁束の出入り口を形成していることを特徴とする磁気変調モータ。 In any one magnetic modulation motor (1) according to claims 1-4,
The magnetic induction rotor (5) has k tooth profile portions (5a) protruding outward in the radial direction, and the k tooth profile portions (5a) are gear-shaped and arranged at equal intervals in the circumferential direction. A magnetic modulation motor, characterized in that the tip surface of the tooth profile 5a, which is formed of a soft magnetic material and has an air gap and faces the magnet rotor (7), forms a magnetic flux entrance.
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